周松濤 何澤文 馬奔

摘要：本設(shè)計(jì)來自廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金（攀登計(jì)劃）支持項(xiàng)目——無人機(jī)無線充電系統(tǒng)的研究與開發(fā)。本論文著重論述無人機(jī)無線充電站的電動(dòng)門和電動(dòng)停機(jī)坪的功能和實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)以IAP15W4K58S4單片機(jī)為處理器，使用42兩相混合式步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)提供動(dòng)力，用螺桿將電機(jī)角位移轉(zhuǎn)換成線位移，實(shí)現(xiàn)控制物體的動(dòng)作變化。本系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、成本低廉，與無線充電系統(tǒng)相互獨(dú)立，可以直接用作其他系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

Abstract： This design is a special fund （climbing program） to support Guangdong university students' scientific and technological innovation cultivation—Research and Development of Wireless charging system for UAV. This paper focuses on the function and realization of the electric gate and the electric apron of the wireless charging station of UAV. The design system is based on IAP15W4K58S4 single chip microcomputer，using 42 two-phase hybrid stepping motor and DC motor to provide power， converting the angular displacement of the motor into a linear displacement with a screw， and controlling the movement change of the object. The system has the advantages of simple circuit， convenient debugging and low cost， and is independent of the wireless charging system. It can be directly used as mechanical structure of other systems and has certain practical value.

關(guān)鍵詞：IAP15W4K58S4；步進(jìn)電機(jī)；直流電機(jī)

Key words： IAP15W4K58S4；stepping motor；DC motor

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）29-0161-03

0 引言

電動(dòng)門系統(tǒng)主要是指由單片機(jī)控制以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種開關(guān)門機(jī)構(gòu)，電動(dòng)停機(jī)坪是指由單片機(jī)控制以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種電動(dòng)運(yùn)輸平臺(tái)。在日常生活中，經(jīng)常可以看到各種電動(dòng)門系統(tǒng)，例如銀行的感應(yīng)門。這些電動(dòng)門在人接近時(shí)打開，人離開后關(guān)閉，可以快速實(shí)現(xiàn)兩個(gè)空間的隔離。電動(dòng)運(yùn)輸平臺(tái)常應(yīng)用于工廠里的產(chǎn)品移動(dòng)。這些運(yùn)輸平臺(tái)，在短距離移動(dòng)產(chǎn)品的處理上，擁有快速高效、平穩(wěn)安全和運(yùn)輸量大的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用一個(gè)15單片機(jī)控制了上述兩套系統(tǒng)，為無人機(jī)無線充電項(xiàng)目創(chuàng)造了與周圍環(huán)境隔離的充電艙和安全平穩(wěn)的電動(dòng)停機(jī)坪。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)以IAP15W4K58S4單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)控制電動(dòng)門開關(guān)和電動(dòng)停機(jī)坪進(jìn)出充電艙的功能。通過單片機(jī)的P1口檢測(cè)來自STM32的控制信號(hào)，將用戶的操作命令轉(zhuǎn)變成步進(jìn)電機(jī)和直流的定向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)定的動(dòng)作。系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)主要硬件模塊介紹

2.1 IAP15W4K58S4單片機(jī)

IAP15W4K58S4，是當(dāng)今使用廣泛的機(jī)器周期為1T的單片機(jī)，比12T 的單片機(jī)執(zhí)行速度快 12倍，擁有低速模式、空閑模式、掉電模式和停機(jī)模式四種模式，工作電壓2.5V至5.5V，是運(yùn)算速度高、可靠性強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能、不懼怕各種干擾的8051 單片機(jī)，采用宏晶專利的第八代加密技術(shù)，下載的程序保密性好，而且指令兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)，使用者可以維持原來的開發(fā)習(xí)慣。

2.2 42兩相混合式步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將來自控制芯片的高低電平變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移電動(dòng)機(jī)，而且是一種開環(huán)控制的電動(dòng)機(jī)。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖激勵(lì)信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過的距離被稱作步角距，步距角的大小由步進(jìn)電機(jī)自身規(guī)格型號(hào)決定。使用步進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵在于脈沖信號(hào)，使用者通過設(shè)置它的個(gè)數(shù)和頻率，來控制電機(jī)的角位移量和速度。因此只要經(jīng)過簡(jiǎn)單的計(jì)算，就能準(zhǔn)確給電機(jī)定位和控制電機(jī)快慢。步進(jìn)電機(jī)分類方法很多，以產(chǎn)生力矩的方式劃分可以分為反應(yīng)式、永磁式和混合式三種。

本設(shè)計(jì)使用的是42兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。這類步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子使用永磁性材料制成并且做成齒形，電機(jī)定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子類似并且有齒，能集合反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，精度高，當(dāng)相同的脈沖激勵(lì)信號(hào)時(shí)，混合式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，所以混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

2.3 直流減速電機(jī)

直流減速電機(jī)，是在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)大扭矩輸出的要求加工而成。直流電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器，電機(jī)內(nèi)部有永磁體，一旦電機(jī)通電，電機(jī)的線圈就產(chǎn)生安培力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。通過電機(jī)前段的換向器，保持電機(jī)的轉(zhuǎn)向不變。

在直流電機(jī)的后段加裝齒輪減速箱，就是直流減速電機(jī)。齒輪減速箱內(nèi)部有多個(gè)不同大小的齒輪，利用齒輪傳動(dòng)的作用，逐級(jí)降低電機(jī)輸出速度，實(shí)現(xiàn)較大的力矩輸出。為使項(xiàng)目的無人機(jī)平穩(wěn)的進(jìn)出充電艙，兼顧運(yùn)輸平臺(tái)的速度和拉力，我們選擇輸出轉(zhuǎn)速每份鐘50轉(zhuǎn)的、輸出力矩8千克厘米的24伏直流減速電機(jī)。

2.4 直流電機(jī)正反正反轉(zhuǎn)控制模塊

本設(shè)計(jì)使用正反轉(zhuǎn)模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制。單片機(jī)的P3口與模塊的電機(jī)控制端組成回路，利用低電平觸發(fā)，能有效控制模塊的輸出端的電流方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。在運(yùn)輸平臺(tái)下安裝四個(gè)電機(jī)和輪子，在單片機(jī)編程上設(shè)計(jì)四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)停機(jī)坪的進(jìn)出艙控制或者轉(zhuǎn)向。

3 軟件部分的設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)程序的框架，根據(jù)功能的不同劃分了不同的模塊，逐個(gè)模塊編程調(diào)試，最終把各個(gè)子模塊有序的連接起來，構(gòu)成總的程序。主程序流程圖如圖2所示。

主要源程序如下：

int main（void）

{

IO_Init（）；

RLED = LED_OFF；

GLED = LED_OFF；

BLED = LED_OFF；

APP = LED_OFF；

Drive_tingctrl（）；

P27 = 1；

P26 = 1； //電機(jī)使能信號(hào)

while（1）

{

if（P10==1））； //接收stm32發(fā)送的信號(hào)

{

GLED = LED_NO； //只開綠燈

motor_ctrl（FALL）； //PB0，P05綠燈開門

GLED = LED_OFF；

}

if（P11==1））； //接收stm32發(fā)送的信號(hào)

{

BLED = LED_NO； //只開藍(lán)燈

motor_ctrl（FALL）； //PB1，P06藍(lán)燈開門

BLED = LED_OFF；

}

if（P12==1））； //接收stm32發(fā)送的信號(hào)

{

RLED = LED_NO； //同時(shí)開紅燈和綠燈

GLED = LED_NO；

Drive_chuctrl（）； /出艙

RLED = LED_OFF；

GLED = LED_ OFF；

}

if（P13==1））； //接收stm32發(fā)送的信號(hào)

{

RLED = LED_NO； //同時(shí)開紅燈和綠燈

GLED = LED_NO；

Drive_jinctrl（） //進(jìn)艙

RLED = LED_OFF；

GLED = LED_ OFF；

}

}

}

3.2 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)

42兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角1.8度，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周360度，所以200個(gè)脈沖激勵(lì)信號(hào)可以使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。步進(jìn)電機(jī)上的螺桿為T8型螺桿，導(dǎo)程2毫米，螺母在這種螺桿上轉(zhuǎn)一圈所發(fā)生的位移是2毫米。考慮到電動(dòng)門的完全展開為1000毫米，單個(gè)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作計(jì)算應(yīng)為：S=d·n，其中d為螺桿導(dǎo)程；n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。

為了方便計(jì)算單片機(jī)輸出的激勵(lì)信號(hào)數(shù)量，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)應(yīng)轉(zhuǎn)換為激勵(lì)信號(hào)數(shù)量i表示，他們之間的關(guān)系是：n=？琢·i。將實(shí)際數(shù)值帶入計(jì)算，i取值50000，在調(diào)試過程中再作修改，部分程序如下：

void motor_ctrl（u8 dir）

{

u16 i = 50000；

if（dir）

{

DIR1 = FALL；

DIR2 = FALL；

}

else

{

DIR1 = UP；

DIR2 = UP；

}

while（i--）

{

PUL1 = 1；

PUL2 = 1；

DelayUS（DELAY_TIME）；

PUL1 = 0；

PUL2 = 0；

DelayUS（DELAY_TIME）；

}

}

3.3 直流電機(jī)程序設(shè)計(jì)

在這里，重申本系統(tǒng)使用的直流電機(jī)的參數(shù)。直流減速電機(jī)，工作電壓24伏，空載轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)每分鐘，空載電流0.13安倍，負(fù)載轉(zhuǎn)速45轉(zhuǎn)每分鐘，負(fù)載電流0.62安倍，額定力矩8千克厘米。電動(dòng)停機(jī)坪的輪胎直徑65毫米，那么電動(dòng)停機(jī)坪進(jìn)出艙的運(yùn)動(dòng)計(jì)算是：。

將實(shí)際數(shù)值代入計(jì)算，得出時(shí)間t取值為5.876秒，編程取值6秒，部分程序如下：

void Drive_jinctrl（void）

{

zhengzhuan1 = 0；

zhengzhuan2 = 1；

zhengzhuan3 = 1；

zhengzhuan4 = 0；

fanzhuan1 = 1；

fanzhuan2 = 0；

fanzhuan3 = 0；

fanzhuan4 = 1；

DelaySEC（time）； //讓電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)

Drive_tingctrl（）； //停電機(jī)

}

void Drive_chuctrl（void）

{

zhengzhuan1 = 1；

zhengzhuan2 = 0；

zhengzhuan3 = 0；

zhengzhuan4 = 1；

fanzhuan1 = 0；

fanzhuan2 = 1；

fanzhuan3 = 1；

fanzhuan4 = 0；

DelaySEC（time）； //讓電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)

DelayMS（500）；

Drive_tingctrl（）； //停電機(jī)

}

4 軟硬件聯(lián)合調(diào)試

本設(shè)計(jì)的編程軟件是在Keil C。Keil u Vision5 軟件支持89C51單片機(jī)的C語言的編程及調(diào)試，運(yùn)用非常方便，有效提高了編程制作效率。根據(jù)本次系統(tǒng)的軟件構(gòu)思，因?yàn)槁輻U和輪胎等機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)際特性不好仿真，所以程序的調(diào)試全部在機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物搭建起來后進(jìn)行。步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的控制關(guān)鍵在時(shí)間，軟件調(diào)試過程，就是測(cè)試上面計(jì)算的數(shù)值是否合適的過程。

在硬件調(diào)試方面，首先根據(jù)硬件電路圖檢查了各個(gè)器件的型號(hào)、規(guī)格、參數(shù)是否正確；第二步，檢查原理圖與所用器件的引腳是否吻合，進(jìn)而排除邏輯上的錯(cuò)誤；第三步，使用萬用表等工具檢查硬件電路的接線，檢查有無短路、虛焊或者開路的現(xiàn)象；第四步，設(shè)備按照不同的功能分別接通電源，檢查時(shí)各個(gè)器件運(yùn)行時(shí)有無發(fā)熱失控等不良現(xiàn)象，整個(gè)系統(tǒng)的功能是否符合要求。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物的調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)原來用作固定步進(jìn)電機(jī)的4毫米PVC板硬度不足，這種板材不能為工作中的步進(jìn)電機(jī)提供足夠的支撐，不能承受開關(guān)門的作用力，導(dǎo)致電動(dòng)門調(diào)試中容易出現(xiàn)錯(cuò)位或者晃動(dòng)，威脅了系統(tǒng)中其他器材的安全。為此我們使用木頭對(duì)板材進(jìn)行加固，加固后的電動(dòng)門運(yùn)行正常，但使用一種更堅(jiān)硬的材料來承受步進(jìn)電機(jī)的作用力是最好的辦法。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以IAP15W4K58S4單片機(jī)為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)無線充電站的門控和承重平臺(tái)的設(shè)計(jì)，與無線充電站的其他功能不在一塊控制器上執(zhí)行，程序具有一定的獨(dú)立性和可移植性。該電路具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于開關(guān)門控制和自動(dòng)化物流等需要隔離和運(yùn)載的領(lǐng)域。

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